WO2021020031A1 - 無機固体電解質含有組成物、全固体二次電池用シート及び全固体二次電池、並びに、全固体二次電池用シート及び全固体二次電池の製造方法 - Google Patents
無機固体電解質含有組成物、全固体二次電池用シート及び全固体二次電池、並びに、全固体二次電池用シート及び全固体二次電池の製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
Description
例えば、特許文献1には、(A)周期律表第1族又は第2族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質と、(B)ポリマーと、(C)分散媒とを含有する固体電解質組成物であって、(B)ポリマーが炭化水素ポリマーセグメントを主鎖に有し、この主鎖が結合群(I):エステル結合、アミド結合、ウレタン結合、ウレア結合、イミド結合、エーテル結合およびカーボネート結合から選択される結合を少なくとも1つ含む、固体電解質組成物が記載されている。また、特許文献2には、非球状ポリマー粒子と分散媒体と無機固体電解質とを含有する固体電解質組成物であって、上記の非球状ポリマー粒子が、特定の官能基群aから選ばれる官能基、酸解離定数pKa14以下の酸性基、または共役酸のpKaが14以下の塩基性基の少なくとも1つを有するポリマーで構成されている固体電解質組成物が記載されている。
しかし、全固体二次電池の構成層は、通常、無機固体電解質、バインダー、更には活物質等の固体粒子で形成されるため、一般的に固体粒子同士の界面接触が十分ではない。そのため、上述の屈曲及び復元により、構成層中の固体粒子同士の界面接触が次第に損なわれる(屈曲耐久性に劣る)という問題が引き起こされる。この問題は、全固体二次電池の工業的製造の見地からシート状の構成層をロール トゥ ロール法で作製する場合、作製中に搬送ロール若しくは支持ロールの表面に追従して屈曲及び復元が多数回繰り返され、特に顕著になる。
ところが、固体粒子に対して従来のバインダーを併用しても上述の、屈曲及び復元による、固体粒子同士の界面接触の低下を十分に抑制できず、改善の余地がある。
<1>周期律表第1族若しくは第2族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質と、バインダーとを含有する無機固体電解質含有組成物であって、
バインダーが、引張り及び復元を10回繰り返して得た応力-ひずみ曲線における引張ヒステリシス損失が40%未満であるポリマーを含む、無機固体電解質含有組成物。
<2>ポリマーが、引張り及び復元を30回繰り返して得た応力-ひずみ曲線における引張ヒステリシス損失が35%未満である、<1>に記載の無機固体電解質含有組成物。
<3>ポリマーが、400MPa以上の引張弾性率を有する、<1>又は<2>に記載の無機固体電解質含有組成物。
<4>ポリマーが、300%以上の破断伸びを有する、<1>~<3>のいずれか1つに記載の無機固体電解質含有組成物。
<5>ポリマーが、ウレタン結合、ウレア結合、アミド結合、イミド結合及びエステル結合から選ばれる少なくとも1種の結合を主鎖に有する、<1>~<4>のいずれか1つに記載の無機固体電解質含有組成物。
<6>ポリマーが、ポリエチレンオキシ鎖、ポリプロピレンオキシ鎖及びポリテトラメチレンオキシ鎖から選ばれる少なくとも2種のポリエーテル構造を主鎖に有する、<1>~<5>のいずれか1つに記載の無機固体電解質含有組成物。
<7>少なくとも2種のポリエーテル構造の数平均分子量が400以下である、<6>に記載の無機固体電解質含有組成物。
<8>活物質を含有する、<1>~<7>のいずれか1つに記載の無機固体電解質含有組成物。
<9>活物質が、ケイ素元素又はスズ元素を含有する活物質である、<8>に記載の無機固体電解質含有組成物。
<10>導電助剤を含有する、<1>~<9>のいずれか1つに記載の無機固体電解質含有組成物。
<11>無機固体電解質が硫化物系無機固体電解質である、<1>~<10>のいずれか1つに記載の無機固体電解質含有組成物。
<12>上記<1>~<11>のいずれか1つに記載の無機固体電解質含有組成物で構成した層を有する全固体二次電池用シート。
<13>正極活物質層と固体電解質層と負極活物質層とをこの順で具備する全固体二次電池であって、
正極活物質層、固体電解質層及び負極活物質層の少なくとも1つの層が、上記<1>~<11>のいずれか1つに記載の無機固体電解質含有組成物で構成した層である、全固体二次電池。
<14>上記<1>~<11>のいずれか1つに記載の無機固体電解質含有組成物を製膜する、全固体二次電池用シートの製造方法。
<15>上記<14>に記載の製造方法を経て全固体二次電池を製造する、全固体二次電池の製造方法。
本発明の上記及び他の特徴及び利点は、適宜添付の図面を参照して、下記の記載からより明らかになるであろう。
本明細書において化合物の表示(例えば、化合物と末尾に付して呼ぶとき)については、この化合物そのもののほか、その塩、そのイオンを含む意味に用いる。また、本発明の効果を損なわない範囲で、置換基を導入するなど一部を変化させた誘導体を含む意味である。
本発明において、(メタ)アクリルとは、アクリル及びメタアクリルの一方又は両方を意味する。(メタ)アクリレートについても同様である。
本明細書において、置換又は無置換を明記していない置換基、連結基等(以下、置換基等という。)については、その基に適宜の置換基を有していてもよい意味である。よって、本明細書において、単に、YYY基と記載されている場合であっても、このYYY基は、置換基を有しない態様に加えて、更に置換基を有する態様も包含する。これは置換又は無置換を明記していない化合物についても同義である。好ましい置換基としては、例えば後述する置換基Zが挙げられる。
本明細書において、特定の符号で示された置換基等が複数あるとき、又は複数の置換基等を同時若しくは択一的に規定するときには、それぞれの置換基等は互いに同一でも異なっていてもよいことを意味する。また、特に断らない場合であっても、複数の置換基等が隣接するときにはそれらが互いに連結したり縮環したりして環を形成していてもよい意味である。
本発明の無機固体電解質含有組成物は、周期律表第1族若しくは第2族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質と、バインダーとを含有する。
本発明の無機固体電解質含有組成物が含有するバインダーは、少なくとも無機固体電解質含有組成物で形成した層中において、無機固体電解質(更には、共存しうる、活物質、導電助剤)等の固体粒子同士(例えば、無機固体電解質同士、無機固体電解質と活物物質、活物質同士)を結着させる結着剤として、機能する。更には、集電体と固体粒子とを結着させる結着剤として機能することもある。なお、本発明の無機固体電解質含有組成物が含有するバインダーは、無機固体電解質含有組成物中において、固体粒子同士を結着させる機能を有していてもいなくてもよい。
本発明の無機固体電解質含有組成物は、無機固体電解質が分散媒中に分散したスラリーであることが好ましい。この場合、バインダーは、固体粒子を分散媒中に分散させる機能を示しても示さなくてもよい。また、バインダーは分散媒中に溶解していてもよい(溶解型バインダーともいう。)が、電子伝導度等の点で、(固体状態で)分散媒中に分散していること(粒子として分散するバインダーを粒子状バインダーともいう。)が好ましい。この態様の無機固体電解質含有組成物は通常スラリーとなる。
その理由の詳細はまだ明らかではないが、次のように考えられる。すなわち、引張り及び復元を10回繰り返して得た応力-ひずみ曲線における引張ヒステリシス損失が40%未満であるポリマーを含むバインダーは、構成層中において、構成層の屈曲及び復元によく追従して固体粒子同士の(初期)界面接触(結着)を維持できる。これにより、通常、作製時若しくは保存時等の繰り返される屈曲及び復元によって構成層中に徐々に弱まりうる固体粒子間の界面接触についてその低下若しくは破壊(空隙発生)を抑制でき、優れた初期界面接触を維持(屈曲耐久性の低下を抑制)できると考えられる。このようなバインダーの作用機能により、本発明の無機固体電解質含有組成物を用いて形成した構成層を備えた全固体二次電池は、構成層が(繰り返される)屈曲及び復元されたものであっても、優れた屈曲耐久性を実現できる。
本発明に用いるバインダーは、上記作用機能を示すため、上述の構成層の屈曲及び復元だけではなく、全固体二次電池の充放電による膨張収縮にもよく追従して、充放電による膨張収縮が大きい負極活物質と併用しても、繰り返される膨張収縮による固体粒子同士の界面接触状態を維持でき、膨張収縮による電池性能(例えば、電池抵抗、サイクル特性)の低下を抑制できる。
以下、本発明の無機固体電解質含有組成物が含有する成分及び含有しうる成分について説明する。
本発明の無機固体電解質含有組成物は、無機固体電解質を含有する。
本発明において、無機固体電解質とは、無機の固体電解質のことであり、固体電解質とは、その内部においてイオンを移動させることができる固体状の電解質のことである。主たるイオン伝導性材料として有機物を含むものではないことから、有機固体電解質(ポリエチレンオキシド(PEO)などに代表される高分子電解質、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)などに代表される有機電解質塩)とは明確に区別される。また、無機固体電解質は定常状態では固体であるため、通常カチオン及びアニオンに解離又は遊離していない。この点で、電解液、又は、ポリマー中でカチオン及びアニオンに解離若しくは遊離している無機電解質塩(LiPF6、LiBF4、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド(LiFSI)、LiClなど)とも明確に区別される。無機固体電解質は周期律表第1族若しくは第2族に属する金属のイオンの伝導性を有するものであれば、特に限定されず、電子伝導性を有さないものが一般的である。本発明の全固体二次電池がリチウムイオン電池の場合、無機固体電解質は、リチウムイオンのイオン伝導性を有することが好ましい。
上記無機固体電解質は、全固体二次電池に通常使用される固体電解質材料を適宜選定して用いることができる。例えば、無機固体電解質としては、(i)硫化物系無機固体電解質、(ii)酸化物系無機固体電解質、(iii)ハロゲン化物系無機固体電解質、及び、(iv)水素化物系固体電解質が挙げられ、活物質と無機固体電解質との間により良好な界面を形成することができる観点から、硫化物系無機固体電解質が好ましい。
硫化物系無機固体電解質は、硫黄原子を含有し、かつ、周期律表第1族若しくは第2族に属する金属のイオン伝導性を有し、かつ、電子絶縁性を有するものが好ましい。硫化物系無機固体電解質は、元素として少なくともLi、S及びPを含有し、リチウムイオン伝導性を有しているものが好ましいが、目的又は場合に応じて、Li、S及びP以外の他の元素を含んでもよい。
La1Mb1Pc1Sd1Ae1 (S1)
式中、LはLi、Na及びKから選択される元素を示し、Liが好ましい。Mは、B、Zn、Sn、Si、Cu、Ga、Sb、Al及びGeから選択される元素を示す。Aは、I、Br、Cl及びFから選択される元素を示す。a1~e1は各元素の組成比を示し、a1:b1:c1:d1:e1は1~12:0~5:1:2~12:0~10を満たす。a1は1~9が好ましく、1.5~7.5がより好ましい。b1は0~3が好ましく、0~1がより好ましい。d1は2.5~10が好ましく、3.0~8.5がより好ましい。e1は0~5が好ましく、0~3がより好ましい。
硫化物系無機固体電解質は、例えば硫化リチウム(Li2S)、硫化リン(例えば五硫化二燐(P2S5))、単体燐、単体硫黄、硫化ナトリウム、硫化水素、ハロゲン化リチウム(例えばLiI、LiBr、LiCl)及び上記Mで表される元素の硫化物(例えばSiS2、SnS、GeS2)の中の少なくとも2つ以上の原料の反応により製造することができる。
酸化物系無機固体電解質は、酸素原子を含有し、かつ、周期律表第1族若しくは第2族に属する金属のイオン伝導性を有し、かつ、電子絶縁性を有するものが好ましい。
酸化物系無機固体電解質は、イオン伝導度として、1×10-6S/cm以上であることが好ましく、5×10-6S/cm以上であることがより好ましく、1×10-5S/cm以上であることが特に好ましい。上限は特に制限されないが、1×10-1S/cm以下であることが実際的である。
またLi、P及びOを含むリン化合物も望ましい。例えばリン酸リチウム(Li3PO4); リン酸リチウムの酸素の一部を窒素で置換したLiPON; LiPOD1(D1は、好ましくは、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Ag、Ta、W、Pt及びAuから選ばれる1種以上の元素である。)等が挙げられる。
更に、LiA1ON(A1は、Si、B、Ge、Al、C及びGaから選ばれる1種以上の元素である。)等も好ましく用いることができる。
ハロゲン化物系無機固体電解質は、ハロゲン原子を含有し、かつ、周期律表第1族若しくは第2族に属する金属のイオンの伝導性を有し、かつ、電子絶縁性を有する化合物が好ましい。
ハロゲン化物系無機固体電解質としては、特に制限されないが、例えば、LiCl、LiBr、LiI、ADVANCED MATERIALS,2018,30,1803075に記載のLi3YBr6、Li3YCl6等の化合物が挙げられる。中でも、Li3YBr6、Li3YCl6を好ましい。
水素化物系無機固体電解質は、水素原子を含有し、かつ、周期律表第1族若しくは第2族に属する金属のイオン伝導性を有し、かつ、電子絶縁性を有する化合物が好ましい。
水素化物系無機固体電解質としては、特に制限されないが、例えば、LiBH4、Li4(BH4)3I、3LiBH4-LiCl等が挙げられる。
無機固体電解質の粒子径の測定は、以下の手順で行う。無機固体電解質粒子を、水(水に不安定な物質の場合はヘプタン)を用いて20mLサンプル瓶中で1質量%の分散液を希釈調製する。希釈後の分散液試料は、1kHzの超音波を10分間照射し、その直後に試験に使用する。この分散液試料を用い、レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置LA-920(商品名、HORIBA社製)を用いて、温度25℃で測定用石英セルを使用してデータ取り込みを50回行い、体積平均粒子径を得る。その他の詳細な条件等は必要によりJIS Z 8828:2013「粒子径解析-動的光散乱法」の記載を参照する。1水準につき5つの試料を作製しその平均値を採用する。
固体電解質層を形成する場合、固体電解質層の単位面積(cm2)当たりの無機固体電解質の質量(mg)(目付量)は特に制限されるものではない。設計された電池容量に応じて、適宜に決めることができ、例えば、1~100mg/cm2とすることができる。
ただし、無機固体電解質含有組成物が後述する活物質を含有する場合、無機固体電解質の目付量は、活物質と無機固体電解質との合計量が上記範囲であることが好ましい。
ただし、無機固体電解質含有組成物が後述する活物質を含有する場合、無機固体電解質含有組成物中の無機固体電解質の含有量は、活物質と無機固体電解質との合計含有量が上記範囲であることが好ましい。
本明細書において、固形分(固形成分)とは、無機固体電解質含有組成物を、1mmHgの気圧下、窒素雰囲気下150℃で6時間乾燥処理したときに、揮発若しくは蒸発して消失しない成分をいう。典型的には、後述の分散媒以外の成分を指す。
本発明の無機固体電解質含有組成物は、少なくとも全固体二次電池の構成層中において固体粒子を結着させるバインダーを含有する。
このバインダーは、引張り及び復元を10回繰り返して得た応力-ひずみ曲線における引張ヒステリシス損失が40%未満であるポリマー(便宜的に、低損失ポリマーということがある。)を含む。また、バインダーは、低損失ポリマーを少なくとも1種含んでいればよく、低損失ポリマー以外のポリマーを1種以上含んでいてもよい。本発明において、バインダーがポリマーを含むとは、バインダーがポリマーを含んで形成される態様に加えて、ポリマーで形成される態様を包含する。低損失ポリマー以外のポリマーとしては、例えば、10回引張ヒステリシス損失が40%以上のポリマー(便宜的に、高損失ポリマーともいう。)が挙げられ、全固体二次電池用バインダーを形成するポリマーとして通常用いられるものを特に制限されることなく用いることができる。
バインダーの、無機固体電解質含有組成物中の含有量は、屈曲耐久性の点で、固形成分100質量%において、0.001質量%以上が好ましく、0.05質量%以上がより好ましく、0.1質量%以上が更に好ましく、0.2質量%以上が特に好ましく、2質量%以上が最も好ましい。上限としては、電池容量(イオン伝導度)の点で、20質量%以下が好ましく、10質量%以下がより好ましく、5質量%以下が更に好ましい。
本発明の無機固体電解質含有組成物において、バインダーの質量に対する、無機固体電解質と活物質の合計質量(総量)の質量比[(無機固体電解質の質量+活物質の質量)/(バインダーの質量)]は、1,000~1の範囲が好ましい。この比率は1000~2がより好ましく、500~10が更に好ましい。
本発明において、引張ヒステリシス損失は、バインダーを形成するポリマーの組成(構成成分の種類又は含有量)等により、適宜に設定できる。例えば、ポリエーテル構造を有する構成成分の種類、併用数、分子量又は含有量を変更することにより、調整できる。
本発明において、引張弾性率及び破断伸びは、それぞれ、バインダーを形成するポリマーの種類(ポリマー主鎖の構造)、ポリマーの組成(構成成分の種類又は含有量)等により、適宜に設定できる。
バインダーは、上述のように、少なくとも1種の低損失ポリマーを含み、適宜に高損失ポリマーを含んでいてもよい。
損失ポリマーは、好ましくは、ウレタン結合、ウレア結合、アミド結合、イミド結合及びエステル結合から選ばれる少なくとも1種の結合を主鎖に有するポリマーが挙げられる。
主鎖が含む上記結合は、水素結合を形成することにより、全固体二次電池等の構成層中の固体粒子等の結着性向上に寄与する。これらの結合がポリマー内で水素結合を形成する場合、水素結合は、上記結合同士で形成されてもよく、上記結合と主鎖が有するそれ以外の部分構造とで形成されてもよい。上記結合は、互いに水素結合を形成可能な点で、水素結合を形成する水素原子を有していること(各結合の窒素原子が無置換であること)が好ましい。
上記結合は、ポリマーの主鎖中に含まれる限り特に制限されるものでなく、構成単位(繰り返し単位)中に含まれる態様及び/又は異なる構成単位同士を繋ぐ結合として含まれる態様のいずれでもよい。また、主鎖に含まれる上記結合は、1種に限定されず、2種以上であってもよく、1~6種が好ましく、1~4種がより好ましい。この場合、主鎖の結合様式は、特に制限されず、2種以上の結合をランダムに有していてもよく、特定の結合を有するセグメントと他の結合を有するセグメントとのセグメント化された主鎖でもよい。
本発明において、「ポリエーテル構造」とは、2以上のアルキレンオキシ基が連結してなる構造(ポリアルキレンオキシ鎖又はアルキレンオキシド鎖ともいう)をいい、例えば、-(O-アルキレン基)n-構造(nは重合度を示し、2以上の数である。)を示す。
この「ポリエーテル構造」は、単独のポリアルキレンオキシ鎖であってもよく、(化学構造が異なる)少なくとも2種のポリアルキレンオキシ鎖の共重合物に由来する構造であってもよい。本発明においては、単独のポリアルキレンオキシ鎖であることが好ましい。
「ポリエーテル構造」は、適宜、原子又は連結基を介して、ポリマーの主鎖に組み込まれる。このときの原子及び連結基としては、後述する式(I-7)のXで挙げたものと同義である。
ポリエーテル構造を含む構成成分としては、特に制限されず、ポリアルキレングリコール等のポリエーテルポリオールに由来する構成成分(実施例で合成した低損失ポリマーB-1~B-6の構成成分M2及びM3)、ポリエーテルポリアミン等に由来する構成成分が挙げられる。ポリエーテルポリアミン等に由来する構成成分中のポリエーテル構造としては、後述する低損失ポリマーの具体例としてのポリイミドポリマーが有する、ポリエチレンオキシ鎖及びポリプロピレンオキシ鎖の共重合体からなる構成成分が挙げられる。
低損失ポリマーが、互いに化学構造の異なるポリエーテル構造を少なくとも2種有する主鎖を有することにより、上記所定の引張ヒステリシス損失を示し、屈曲耐久性を実現できる。その理由の詳細はまだ明らかではないが、次のように考えられる。すなわち、ポリエーテル構造を2種以上有すると、低損失ポリマーの結晶性を低下させることができ、例えば300%以上という大きな破断伸びを実現できる。更に、上述のポリエーテル構造を少なくとも2種有し、しかもその(数平均)分子量を後述する範囲に設定することにより、低引張ヒステリシス損失、高弾性率及び高破断伸びを鼎立した低損失ポリマーとすることができ、全固体二次電池に高い屈曲耐久性を付与できる。
低損失ポリマーが有するポリエーテル構造の種類数は、2種以上であればよく、2種若しくは3種であることが好ましく、2種であることがより好ましい。
ポリエーテル構造の組み合わせとしては、特に制限されないが、ポリエチレンオキシ鎖、ポリプロピレンオキシ鎖及びポリテトラメチレンオキシ鎖から選ばれる少なくとも2種のポリエーテル構造が好ましい。ポリエチレンオキシ鎖と、ポリプロピレンオキシ鎖又はポリテトラメチレンオキシ鎖とを含む組み合わせがより好ましく、ポリエチレンオキシ鎖とポリプロピレンオキシ鎖とを含む組み合わせが更に好ましい。
本発明において、少なくとも2種のポリエーテル構造の(数平均)分子量とは、各ポリエーテル構造の(数平均)分子量とモル分率との積の総和を意味する。
各ポリエーテル構造の(数平均)分子量は、後述する方法により、(主鎖に組み込まれた状態ではなく)ポリエーテル構造を含む構成成分を導く化合物(通常、各端部に水素原子が結合した化合物、例えば後述するポリエーテルポリオール)について測定した値とする。
また、各ポリエーテル構造の重合度は、2以上であれば特に制限されず、上述の「少なくとも2種のポリエーテル構造の数平均分子量」を満たす範囲内で適宜に設定される。重合度は、アルキレンオキシ基の炭素数等にもよるが、例えば、2~10であることが好ましく、3~8であることがより好ましく、2~5であることが更に好ましい。
RP1及びRP2としてとりうる上記分子鎖は、特に制限されないが、炭化水素鎖、ポリアルキレンオキシド鎖(ただし、上述のポリエーテル構造を除く。)、ポリカーボネート鎖又はポリエステル鎖が好ましく、炭化水素鎖又はポリアルキレンオキシド鎖がより好ましく、炭化水素鎖、ポリエチレンオキシド鎖又はポリプロピレンオキシド鎖が更に好ましい。
低分子量の炭化水素鎖は、通常の(非重合性の)炭化水素基からなる鎖であり、この炭化水素基としては、例えば、脂肪族若しくは芳香族の炭化水素基が挙げられ、具体的には、アルキレン基(炭素数は1~12が好ましく、1~6がより好ましく、1~3が更に好ましい)、アリーレン基(炭素数は6~22が好ましく、6~14が好ましく、6~10がより好ましい)、又はこれらの組み合わせからなる基が好ましい。RP2としてとりうる低分子量の炭化水素鎖を形成する炭化水素基としては、アルキレン基がより好ましく、炭素数2~6のアルキレン基が更に好ましく、炭素数2又は3のアルキレン基が特に好ましい。この炭化水素鎖は置換基として重合鎖(例えば(メタ)アクリルポリマー)を有していてもよい。
芳香族の炭化水素基は、例えば、後掲する各例示の構成成分が有する炭化水素基が挙げられ、フェニレン基又は下記式(M2)で表される炭化水素基が好ましい。
RM2~RM5は、それぞれ、水素原子又は置換基を示し、水素原子が好ましい。RM2~RM5としてとりうる置換基としては、特に制限されず、後述する置換基Zが挙げられ、例えば、炭素数1~20のアルキル基、炭素数1~20のアルケニル基、-ORM6、―N(RM6)2、-SRM6(RM6は置換基を示し、好ましくは炭素数1~20のアルキル基又は炭素数6~10のアリール基を示す。)、ハロゲン原子(例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子)が好ましく挙げられる。-N(RM6)2としては、アルキルアミノ基(炭素数は、1~20が好ましく、1~6がより好ましい)又はアリールアミノ基(炭素数は、6~40が好ましく、6~20がより好ましい)が挙げられる。
末端反応性基を有する炭化水素ポリマーとしては、例えば、いずれも商品名で、NISSO-PBシリーズ(日本曹達社製)、クレイソールシリーズ(巴工業社製)、PolyVEST-HTシリーズ(エボニック社製)、poly-bdシリーズ(出光興産社製)、poly-ipシリーズ(出光興産社製)、EPOL(出光興産社製)及びポリテールシリーズ(三菱化学社製)等が好適に用いられる。
ポリアルキレンオキシ鎖中のアルキレンオキシ基の炭素数は、1~10であることが好ましく、1~6であることがより好ましく、2又は3であること(ポリエチレンオキシ鎖又はポリプロピレンオキシ鎖)が更に好ましい。ポリアルキレンオキシ鎖は、1種のアルキレンオキシ基からなる鎖でもよく、2種以上のアルキレンオキシ基からなる鎖(例えば、エチレンオキシ基及びプロピレンオキシ基からなる鎖)でもよい。
ポリカーボネート鎖又はポリエステル鎖としては、公知のポリカーボネート又はポリエステルからなる鎖が挙げられる。
ポリアルキレンオキシ鎖、ポリカーボネート鎖又はポリエステル鎖は、それぞれ、末端にアルキル基(炭素数は1~12が好ましく、1~6がより好ましい)を有することが好ましい。
RP1及びRP2としてとりうるポリアルキレンオキシ鎖、ポリカーボネート鎖及びポリエステル鎖の末端は、RP1及びRP2として上記各式で表される構成成分に組み込み可能な通常の化学構造に適宜に変更することができる。例えば、ポリアルキレンオキシ鎖は末端酸素原子が取り除かれて上記構成成分のRP1又はRP2として組み込まれる。
上記各式において、RP1及びRP2は2価の分子鎖であるが、少なくとも1つの水素原子が-NH-CO-、-CO-、-O-、-NH-又は-N<で置換されて、3価以上の分子鎖となっていてもよい。
RP2は、上記分子鎖の中でも、低分子量の炭化水素鎖(より好ましくは脂肪族の炭化水素基)、又は低分子量の炭化水素鎖以外の分子鎖が好ましく、低分子量の炭化水素鎖及び低分子量の炭化水素鎖以外の分子鎖をそれぞれ含む態様がより好ましい。この態様においては、式(I-3)、式(I-4)及び式(I-6)のいずれかで表される構成成分は、RP2が低分子量の炭化水素基鎖である構成成分と、RP2が低分子量の炭化水素鎖以外の分子鎖である構成成分の少なくとも2種を含む。
なお、下記具体例において、構成成分中に繰り返し構造を有する場合、その繰り返し数は1以上の整数であり、上記分子鎖の分子量又は炭素原子数を満たす範囲で適宜に設定される。
なお、低損失ポリマー中における上記各式で表される構成成分の含有量は後述する。
ポリエーテル構造を含む構成成分としては、例えば、下記式(I-7)で表される構成成分が挙げられ、上述の「少なくとも2種のポリエーテル構造」に相当する。
Xは、上記式中のアルキレンオキシ鎖の末端基に応じて適宜に選択される。例えば、アルキレンオキシ基の末端が酸素原子である場合、単結合又は連結基を含む基となり、アルキレンオキシ基の末端がアルキレン基である場合、酸素原子若しくは窒素原子又は連結基を含む基となる。Xとして採りうる連結基を含む基としては、連結基からなる基と、連結基及び酸素原子又は窒素原子を組み合わせた基とが挙げられる。この連結基としては、特に制限されないが、例えば、置換基Zで挙げた各基から水素原子を更に1個除去した基が挙げられ、好ましくはRP4A若しくはRP4Bとして採りうるアルキレン基が挙げられる。上記式(I-7)で表される構成成分における2つのXは同一でも異なっていてもよい。
n2が0である場合、式(I-7)で表される構成成分は、単独のポリアルキレンオキシ鎖を含む構成成分となる。この形態において、低損失ポリマーの主鎖は、上記式(I-7)で表される異なる構成成分を少なくとも2種有し、2種若しくは3種有することが好ましく、2種有することがより好ましい。この形態において、式(I-7)で表される構成成分は、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール及びポリテトラメチレンエーテルグリコールから選ばれる少なくとも2種に由来する構成成分であることが好ましい。また、n2が1を超える数である式(I-7)で表される構成成分を有していてもよい。
この態様において、式(I-7)で表される2種以上の異なる構成成分の(数平均)分子量、各構成成分の(数平均)分子量は、それぞれ、上述の少なくとも2種のポリエーテル構造の(数平均)分子量と同義であり、好ましい範囲も同じである。また、式(I-7)で表される2種以上の異なる構成成分におけるn1は、それぞれ、(数平均)分子量を満たす範囲内で適宜に設定され、上述のポリエーテル構造の重合度と同義であり、好ましい範囲も同じである。
式(I-7)で表される構成成分の(数平均)分子量は、上述の少なくとも2種のポリエーテル構造の(数平均)分子量と同義であり、好ましい範囲も同じである。また、2つのポリアルキレンオキシ鎖の(数平均)分子量は、それぞれ、上述の各ポリエーテル構造の(数平均)分子量と同義であり、好ましい範囲も同じである。同一のポリアルキレンオキシ鎖を複数有する場合、ポリアルキレンオキシ鎖の(数平均)分子量は合計分子量とする。更に、n1及びn2は、それぞれ、(数平均)分子量を満たす範囲内で適宜に設定され、上述のポリエーテル構造の重合度と同義であり、好ましい範囲も同じである。
低損失ポリマー中の、上記各式で表される構成成分以外の構成成分の含有量は、特に限定されないが、50質量%以下であることが好ましい。
すなわち、低損失ポリマー中の、式(I-1)若しくは式(I-2)で表される構成成分、又は式(I-5)で表されるカルボン酸二無水物由来の構成成分の含有量は、特に制限されず、10~50モル%であることが好ましく、20~50モル%であることがより好ましく、30~50モル%であることが更に好ましい。
低損失ポリマー中の、式(I-3)、式(I-4)又は式(I-6)で表される構成成分の含有量は、それぞれ、特に制限されず、0~50モル%であることが好ましく、5~40モル%であることがより好ましく、10~30モル%であることが更に好ましい。
式(I-3)又は式(I-4)で表される構成成分のうち、RP2が分子鎖として上記ポリアルキレンオキシ鎖である構成成分(例えば上記式(I-3B)で表される構成成分)の、低損失ポリマー中の含有量は、特に制限されないが、例えば、0~50モル%であることが好ましく、0~45モル%であることがより好ましく、0~43モル%であることが更に好ましい。
式(I-3)又は式(I-4)で表される構成成分のうち、RP2が分子鎖として上記炭化水素ポリマー鎖である構成成分(例えば上記式(I-3C)で表される構成成分)の、低損失ポリマー中の含有量は、特に制限されないが、例えば、0~50モル%であることが好ましく、1~45モル%であることがより好ましく、3~40モル%であることがより一層好ましく、3~30モル%であることが更に好ましく、3~20モル%であることが特に好ましく、3~10モル%であることが最も好ましい。
低損失ポリマーが式(I-7)で表される異なる構成成分を複数有する場合、各構成成分の含有量は、上記(合計)含有量を満たす範囲内で適宜に決定される。例えば、式(I-7)で表される異なる構成成分を2種有する場合、一方の構成成分(好ましくは、分子量が大きなアルキレンオキシ基で形成されたポリエーテル構造を有する構成成分)の含有量は、例えば、5~30モル%であることが好ましく、10~25モル%であることがより好ましく、15~20モル%であることが更に好ましい。他方の構成成分(好ましくは、分子量が小さなアルキレンオキシ基で形成されたポリエーテル構造を有する構成成分)の含有量は、例えば、10~50モル%であることが好ましく、15~40モル%であることがより好ましく、20~30モル%であることが更に好ましい。また、一方の構成成分と他方の構成成分との含有量の比[一方の構成成分:他方の構成成分]は、特に制限されないが、例えば、10:90~80:20であることが好ましく、20:80~70:30であることがより好ましい。
一方、低損失ポリマーが式(I-7)で表される異なる構成成分を3種以上有する場合、分子量が最も小さなアルキレンオキシ基で形成されたポリエーテル構造を有する構成成分を上記他方の構成成分とし、それ以外の構成成分を上記一方の構成成分とする。
低損失ポリマーは、無機固体電解質等の固体粒子の表面への濡れ性又は吸着性を高めるための官能基を有することが好ましい。このような官能基としては、固体粒子の表面において水素結合等の物理的相互作用を示す基及び固体粒子の表面に存在する基と化学結合を形成し得る基が挙げられ、具体的には、下記官能基群(I)から選択される基を少なくとも1つ有することがより好ましい。ただし、固体粒子の表面への濡れ性又は吸着性をより効果的に発現する観点からは、官能基同士で結合を形成することが可能な2種以上の基を有さないことが好ましい。
<官能基群(I)>
カルボキシ基、スルホン酸基(-SO3H)、リン酸基(-PO4H2)、アミノ基(-NH2)、ヒドロキシ基、スルファニル基、イソシアナト基、アルコキシシリル基及び3環以上の縮環構造を有する基
アルコキシシリル基は、少なくとも一つのアルコキシ基(炭素数は1~12が好ましい。)でSi原子が置換されたシリル基であればよく、Si原子上のその他の置換基としては、アルキル基、アリール基等が挙げられる。アルコキシシリル基としては、例えば、後述の置換基Zにおけるアルコキシシリル基の記載が好ましく適用できる。
3環以上の縮環構造を有する基は、コレステロール環構造を有する基、又は3環以上の芳香族環が縮環した構造を有する基が好ましく、コレステロール残基又はピレニル基がより好ましい。
低損失ポリマー中における官能基群(I)から選択される官能基の含有量は、特に制限されないが、例えば、上記官能基群(I)から選択される官能基を有する構成成分の、低損失ポリマーを構成する全構成成分中の割合は、0.01~50モル%が好ましく、0.02~49モル%が好ましく、0.1~40モル%がより好ましく、1~30モル%が更に好ましく、3~25モル%が特に好ましい。
アルキル基(好ましくは炭素数1~20のアルキル基、例えばメチル、エチル、イソプロピル、t-ブチル、ペンチル、ヘプチル、1-エチルペンチル、ベンジル、2-エトキシエチル、1-カルボキシメチル等)、アルケニル基(好ましくは炭素数2~20のアルケニル基、例えば、ビニル、アリル、オレイル等)、アルキニル基(好ましくは炭素数2~20のアルキニル基、例えば、エチニル、ブタジイニル、フェニルエチニル等)、シクロアルキル基(好ましくは炭素数3~20のシクロアルキル基、例えば、シクロプロピル、シクロペンチル、シクロヘキシル、4-メチルシクロヘキシル等、本明細書においてアルキル基というときには通常シクロアルキル基を含む意味であるが、ここでは別記する。)、アリール基(好ましくは炭素数6~26のアリール基、例えば、フェニル、1-ナフチル、4-メトキシフェニル、2-クロロフェニル、3-メチルフェニル等)、アラルキル基(好ましくは炭素数7~23のアラルキル基、例えば、ベンジル、フェネチル等)、ヘテロ環基(好ましくは炭素数2~20のヘテロ環基で、より好ましくは、少なくとも1つの酸素原子、硫黄原子、窒素原子を有する5又は6員環のヘテロ環基である。ヘテロ環基には芳香族ヘテロ環基及び脂肪族ヘテロ環基を含む。例えば、テトラヒドロピラン環基、テトラヒドロフラン環基、2-ピリジル、4-ピリジル、2-イミダゾリル、2-ベンゾイミダゾリル、2-チアゾリル、2-オキサゾリル、ピロリドン基等)、アルコキシ基(好ましくは炭素数1~20のアルコキシ基、例えば、メトキシ、エトキシ、イソプロピルオキシ、ベンジルオキシ等)、アリールオキシ基(好ましくは炭素数6~26のアリールオキシ基、例えば、フェノキシ、1-ナフチルオキシ、3-メチルフェノキシ、4-メトキシフェノキシ等、本明細書においてアリールオキシ基というときにはアリーロイルオキシ基を含む意味である。)、ヘテロ環オキシ基(上記ヘテロ環基に-O-基が結合した基)、アルコキシカルボニル基(好ましくは炭素数2~20のアルコキシカルボニル基、例えば、エトキシカルボニル、2-エチルヘキシルオキシカルボニル、ドデシルオキシカルボニル等)、アリールオキシカルボニル基(好ましくは炭素数6~26のアリールオキシカルボニル基、例えば、フェノキシカルボニル、1-ナフチルオキシカルボニル、3-メチルフェノキシカルボニル、4-メトキシフェノキシカルボニル等)、アミノ基(好ましくは炭素数0~20のアミノ基、アルキルアミノ基、アリールアミノ基を含み、例えば、アミノ(-NH2)、N,N-ジメチルアミノ、N,N-ジエチルアミノ、N-エチルアミノ、アニリノ等)、スルファモイル基(好ましくは炭素数0~20のスルファモイル基、例えば、N,N-ジメチルスルファモイル、N-フェニルスルファモイル等)、アシル基(アルキルカルボニル基、アルケニルカルボニル基、アルキニルカルボニル基、アリールカルボニル基、ヘテロ環カルボニル基を含み、好ましくは炭素数1~20のアシル基、例えば、アセチル、プロピオニル、ブチリル、オクタノイル、ヘキサデカノイル、アクリロイル、メタクリロイル、クロトノイル、ベンゾイル、ナフトイル、ニコチノイル等)、アシルオキシ基(アルキルカルボニルオキシ基、アルケニルカルボニルオキシ基、アルキニルカルボニルオキシ基、アリールカルボニルオキシ基、ヘテロ環カルボニルオキシ基を含み、好ましくは炭素数1~20のアシルオキシ基、例えば、アセチルオキシ、プロピオニルオキシ、ブチリルオキシ、オクタノイルオキシ、ヘキサデカノイルオキシ、アクリロイルオキシ、メタクリロイルオキシ、クロトノイルオキシ、ベンゾイルオキシ、ナフトイルオキシ、ニコチノイルオキシ等)、アリーロイルオキシ基(好ましくは炭素数7~23のアリーロイルオキシ基、例えば、ベンゾイルオキシ等)、カルバモイル基(好ましくは炭素数1~20のカルバモイル基、例えば、N,N-ジメチルカルバモイル、N-フェニルカルバモイル等)、アシルアミノ基(好ましくは炭素数1~20のアシルアミノ基、例えば、アセチルアミノ、ベンゾイルアミノ等)、アルキルチオ基(好ましくは炭素数1~20のアルキルチオ基、例えば、メチルチオ、エチルチオ、イソプロピルチオ、ベンジルチオ等)、アリールチオ基(好ましくは炭素数6~26のアリールチオ基、例えば、フェニルチオ、1-ナフチルチオ、3-メチルフェニルチオ、4-メトキシフェニルチオ等)、ヘテロ環チオ基(上記ヘテロ環基に-S-基が結合した基)、アルキルスルホニル基(好ましくは炭素数1~20のアルキルスルホニル基、例えば、メチルスルホニル、エチルスルホニル等)、アリールスルホニル基(好ましくは炭素数6~22のアリールスルホニル基、例えば、ベンゼンスルホニル等)、アルキルシリル基(好ましくは炭素数1~20のアルキルシリル基、例えば、モノメチルシリル、ジメチルシリル、トリメチルシリル、トリエチルシリル等)、アリールシリル基(好ましくは炭素数6~42のアリールシリル基、例えば、トリフェニルシリル等)、アルコキシシリル基(好ましくは炭素数1~20のアルコキシシリル基、例えば、モノメトキシシリル、ジメトキシシリル、トリメトキシシリル、トリエトキシシリル等)、アリールオキシシリル基(好ましくは炭素数6~42のアリールオキシシリル基、例えば、トリフェニルオキシシリル等)、ホスホリル基(好ましくは炭素数0~20のリン酸基、例えば、-OP(=O)(RP)2)、ホスホニル基(好ましくは炭素数0~20のホスホニル基、例えば、-P(=O)(RP)2)、ホスフィニル基(好ましくは炭素数0~20のホスフィニル基、例えば、-P(RP)2)、スルホ基(スルホン酸基)、カルボキシ基、ヒドロキシ基、スルファニル基、シアノ基、ハロゲン原子(例えばフッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等)が挙げられる。RPは、水素原子又は置換基(好ましくは置換基Zから選択される基)である。
また、これらの置換基Zで挙げた各基は、上記置換基Zが更に置換していてもよい。
上記アルキル基、アルキレン基、アルケニル基、アルケニレン基、アルキニル基及び/又はアルキニレン基等は、環状でも鎖状でもよく、また直鎖でも分岐していてもよい。
バインダーを形成するポリマーは、非架橋ポリマーであっても架橋ポリマーであってもよい。また、加熱又は電圧の印加によってポリマーの架橋が進行した場合には、上記分子量より大きな分子量となっていてもよい。好ましくは、全固体二次電池の使用開始時にポリマーが上記範囲の質量平均分子量であることである。
なお、全固体二次電池の構成層における粒子状バインダーの粒子径は、例えば、電池を分解して粒子状バインダーを含有する構成層を剥がした後、その構成層について測定を行い、予め測定していた粒子状バインダー以外の粒子の粒子径の測定値を排除することにより、測定することができる。
粒子状バインダーの粒子径は、例えば、分散媒の種類、ポリマー中の構成成分の含有量及び含有量等により、調整できる。
バインダーを形成するポリマーは、非晶質であることが好ましい。本発明において、ポリマーが「非晶質」であるとは、典型的には、ガラス転移温度で測定したときに結晶融解に起因する吸熱ピークが見られないことをいう。
本発明において、ポリマー、ポリマー鎖(ポリエーテル構造)及びマクロモノマーの分子量については、特に断らない限り、ゲルパーミエーションクロマトグラフィー(GPC)によって標準ポリスチレン換算の質量平均分子量及び数平均分子量をいう。その測定法としては、基本として下記条件1又は条件2(優先)の方法により測定した値とする。ただし、ポリマー又はマクロモノマーの種類によっては適宜適切な溶離液を選定して用いればよい。
(条件1)
カラム:TOSOH TSKgel Super AWM-H(商品名、東ソー社製)を2本つなげる
キャリア:10mMLiBr/N-メチルピロリドン
測定温度:40℃
キャリア流量:1.0ml/min
試料濃度:0.1質量%
検出器:RI(屈折率)検出器
(条件2)
カラム:TOSOH TSKgel Super HZM-H、TOSOH TSKgel Super HZ4000、TOSOH TSKgel Super HZ2000(いずれも商品名、東ソー社製)をつないだカラムを用いる。
キャリア:テトラヒドロフラン
測定温度:40℃
キャリア流量:1.0ml/min
試料濃度:0.1質量%
検出器:RI(屈折率)検出器
下記に示す具体例において、ポリエーテル構造の重合度を具体的に示しているが、本発明においては10回引張ヒステリシス損失を満たす限り適宜に変更することができる。
本発明の無機固体電解質含有組成物は、上記の各成分を分散又は溶解させる分散媒として、分散媒を含有する。
分散媒としては、使用環境において液状を示す有機化合物であればよく、例えば、各種溶媒が挙げられ、具体例としては、アルコール化合物、エーテル化合物、アミド化合物、アミン化合物、ケトン化合物、芳香族化合物、脂肪族化合物、ニトリル化合物、エステル化合物等が挙げられる。
分散媒としては、非極性分散媒(疎水性の分散媒)でも極性分散媒(親水性の分散媒)でもよいが、優れた分散性を発現できる点で、非極性分散媒が好ましい。非極性分散媒とは、一般に水に対する親和性が低い性質をいうが、本発明においては、例えば、エステル化合物、ケトン化合物、エーテル化合物、香族化合物、脂肪族化合物等が挙げられる。
ケトン化合物としては、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン(MIBK)、シクロペンタノン、シクロヘキサノン、シクロヘプタノン、ジプロピルケトン、ジブチルケトン、ジイソプロピルケトン、ジイソブチルケトン(DIBK)、イソブチルプロピルケトン、sec-ブチルプロピルケトン、ペンチルプロピルケトン、ブチルプロピルケトンなどが挙げられる。
芳香族化合物としては、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン等が挙げられる。
脂肪族化合物としては、例えば、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、デカン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、エチルシクロヘキサン、シクロオクタン、デカリン、パラフィン、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油等が挙げられる。
ニトリル化合物としては、例えば、アセトニトリル、プロピオニトリル、イソブチロニトリルなどが挙げられる。
エステル化合物としては、例えば、酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸プロピル、酪酸プロピル、酪酸イソプロピル、酪酸ブチル、酪酸イソブチル、ペンタン酸ブチル、イソ酪酸エチル、イソ酪酸プロピル、イソ酪酸イソプロピル、イソ酪酸イソブチル、ピバル酸プロピル、ピバル酸イソプロピル、ピバル酸ブチル、ピバル酸イソブチルなどが挙げられる。
本発明において、無機固体電解質含有組成物中の、分散媒の含有量は、特に制限されず適宜に設定することができる。例えば、無機固体電解質含有組成物中、20~80質量%が好ましく、30~70質量%がより好ましく、40~60質量%が特に好ましい。
本発明の無機固体電解質含有組成物には、周期律表第1族若しくは第2族に属する金属のイオンの挿入放出が可能な活物質を含有することもできる。活物質としては、以下に説明するが、正極活物質及び負極活物質が挙げられる。
本発明において、活物質(正極活物質又は負極活物質)を含有する無機固体電解質含有組成物を電極用組成物(正極用組成物又は負極用組成物)ということがある。
正極活物質は、周期律表第1族若しくは第2族に属する金属のイオンの挿入放出が可能な活物質であり、可逆的にリチウムイオンを挿入及び放出できるものが好ましい。その材料は、上記特性を有するものであれば、特に制限はなく電池を分解して、遷移金属酸化物、又は、有機物、硫黄などのLiと複合化できる元素などでもよい。
中でも、正極活物質としては、遷移金属酸化物を用いることが好ましく、遷移金属元素Ma(Co、Ni、Fe、Mn、Cu及びVから選択される1種以上の元素)を有する遷移金属酸化物がより好ましい。また、この遷移金属酸化物に元素Mb(リチウム以外の金属周期律表の第1(Ia)族の元素、第2(IIa)族の元素、Al、Ga、In、Ge、Sn、Pb、Sb、Bi、Si、P及びBなどの元素)を混合してもよい。混合量としては、遷移金属元素Maの量(100モル%)に対して0~30モル%が好ましい。Li/Maのモル比が0.3~2.2になるように混合して合成されたものが、より好ましい。
遷移金属酸化物の具体例としては、(MA)層状岩塩型構造を有する遷移金属酸化物、(MB)スピネル型構造を有する遷移金属酸化物、(MC)リチウム含有遷移金属リン酸化合物、(MD)リチウム含有遷移金属ハロゲン化リン酸化合物及び(ME)リチウム含有遷移金属ケイ酸化合物等が挙げられる。
(MB)スピネル型構造を有する遷移金属酸化物の具体例として、LiMn2O4(LMO)、LiCoMnO4、Li2FeMn3O8、Li2CuMn3O8、Li2CrMn3O8及びLi2NiMn3O8が挙げられる。
(MC)リチウム含有遷移金属リン酸化合物としては、例えば、LiFePO4及びLi3Fe2(PO4)3等のオリビン型リン酸鉄塩、LiFeP2O7等のピロリン酸鉄類、LiCoPO4等のリン酸コバルト類並びにLi3V2(PO4)3(リン酸バナジウムリチウム)等の単斜晶ナシコン型リン酸バナジウム塩が挙げられる。
(MD)リチウム含有遷移金属ハロゲン化リン酸化合物としては、例えば、Li2FePO4F等のフッ化リン酸鉄塩、Li2MnPO4F等のフッ化リン酸マンガン塩及びLi2CoPO4F等のフッ化リン酸コバルト類が挙げられる。
(ME)リチウム含有遷移金属ケイ酸化合物としては、例えば、Li2FeSiO4、Li2MnSiO4、Li2CoSiO4等が挙げられる。
本発明では、(MA)層状岩塩型構造を有する遷移金属酸化物が好ましく、LCO又はNMCがより好ましい。
焼成法によって得られた正極活物質は、水、酸性水溶液、アルカリ性水溶液、有機溶剤にて洗浄した後使用してもよい。
正極活物質層を形成する場合、正極活物質層の単位面積(cm2)当たりの正極活物質の質量(mg)(目付量)は特に制限されるものではない。設計された電池容量に応じて、適宜に決めることができ、例えば、1~100mg/cm2とすることができる。
負極活物質は、周期律表第1族若しくは第2族に属する金属のイオンの挿入放出が可能な活物質であり、可逆的にリチウムイオンを挿入及び放出できるものが好ましい。その材料は、上記特性を有するものであれば、特に制限はなく、炭素質材料、金属酸化物、金属複合酸化物、リチウム単体、リチウム合金、リチウムと合金形成可能(合金化可能)な負極活物質等が挙げられる。中でも、炭素質材料、金属複合酸化物又はリチウム単体が信頼性の点から好ましく用いられる。全固体二次電池の大容量化が可能となる点では、リチウムと合金化可能な活物質が好ましい。本発明の固体電解質組成物で形成した構成層は固体粒子同士が強固に結着しているため、負極活物質としてリチウムと合金形成可能な負極活物質を用いることができる。これにより、全固体二次電池の大容量化と電池の長寿命化とが可能となる。
これらの炭素質材料は、黒鉛化の程度により難黒鉛化炭素質材料(ハードカーボンともいう。)と黒鉛系炭素質材料に分けることもできる。また炭素質材料は、特開昭62-22066号公報、特開平2-6856号公報、同3-45473号公報に記載される面間隔又は密度、結晶子の大きさを有することが好ましい。炭素質材料は、単一の材料である必要はなく、特開平5-90844号公報記載の天然黒鉛と人造黒鉛の混合物、特開平6-4516号公報記載の被覆層を有する黒鉛等を用いることもできる。
炭素質材料としては、ハードカーボン又は黒鉛が好ましく用いられ、黒鉛がより好ましく用いられる。
Sn、Si、Geを中心とする非晶質酸化物に併せて用いることができる負極活物質としては、リチウムイオン又はリチウム金属を吸蔵及び/又は放出できる炭素質材料、リチウム単体、リチウム合金、リチウムと合金化可能な負極活物質が好適に挙げられる。
負極活物質、例えば金属酸化物は、チタン元素を含有すること(チタン酸化物)も好ましい。具体的にはLi4Ti5O12(チタン酸リチウム[LTO])がリチウムイオンの吸蔵放出時の体積変動が小さいことから急速充放電特性に優れ、電極の劣化が抑制されリチウムイオン二次電池の寿命向上が可能となる点で好ましい。
一般的に、これらの負極活物質を含有する負極(例えば、ケイ素元素含有活物質を含有するSi負極、スズ元素を有する活物質を含有するSn負極)は、炭素負極(黒鉛及びアセチレンブラックなど)に比べて、より多くのLiイオンを吸蔵できる。すなわち、単位質量あたりのLiイオンの吸蔵量が増加する。そのため、電池容量(エネルギー密度)を大きくすることができる。その結果、バッテリー駆動時間を長くすることができるという利点がある。
ケイ素元素含有活物質としては、例えば、Si、SiOx(0<x≦1)等のケイ素材料、更には、チタン、バナジウム、クロム、マンガン、ニッケル、銅、ランタン等を含むケイ素含有合金(例えば、LaSi2、VSi2、La-Si、Gd-Si、Ni-Si)、又は組織化した活物質(例えば、LaSi2/Si)、他にも、SnSiO3、SnSiS3等のケイ素元素及びスズ元素を含有する活物質等が挙げられる。なお、SiOxは、それ自体を負極活物質(半金属酸化物)として用いることができ、また、全固体二次電池の稼働によりSiを生成するため、リチウムと合金化可能な負極活物質(その前駆体物質)として用いることができる。
スズ元素を有する負極活物質としては、例えば、Sn、SnO、SnO2、SnS、SnS2、更には上記ケイ素元素及びスズ元素を含有する活物質等が挙げられる。また、酸化リチウムとの複合酸化物、例えば、Li2SnO2を挙げることもできる。
負極活物質層を形成する場合、負極活物質層の単位面積(cm2)当たりの負極活物質の質量(mg)(目付量)は特に制限されるものではない。設計された電池容量に応じて、適宜に決めることができ、例えば、1~100mg/cm2とすることができる。
正極活物質及び負極活物質の表面は別の金属酸化物で表面被覆されていてもよい。表面被覆剤としてはTi、Nb、Ta、W、Zr、Al、Si又はLiを含有する金属酸化物等が挙げられる。具体的には、チタン酸スピネル、タンタル系酸化物、ニオブ系酸化物、ニオブ酸リチウム系化合物等が挙げられ、具体的には、Li4Ti5O12、Li2Ti2O5、LiTaO3、LiNbO3、LiAlO2、Li2ZrO3、Li2WO4、Li2TiO3、Li2B4O7、Li3PO4、Li2MoO4、Li3BO3、LiBO2、Li2CO3、Li2SiO3、SiO2、TiO2、ZrO2、Al2O3、B2O3等が挙げられる。
また、正極活物質又は負極活物質を含む電極表面は硫黄又はリンで表面処理されていてもよい。
更に、正極活物質又は負極活物質の粒子表面は、上記表面被覆の前後において活性光線又は活性気体(プラズマ等)により表面処理を施されていてもよい。
本発明の無機固体電解質含有組成物は、導電助剤を適宜含有してもよく、特に負極活物質としてのケイ素原子含有活物質は導電助剤と併用されることが好ましい。
導電助剤としては、特に制限はなく、一般的な導電助剤として知られているものを用いることができる。例えば、電子伝導性材料である、天然黒鉛、人造黒鉛などの黒鉛類、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラックなどのカーボンブラック類、ニードルコークスなどの無定形炭素、気相成長炭素繊維若しくはカーボンナノチューブなどの炭素繊維類、グラフェン若しくはフラーレンなどの炭素質材料であってもよいし、銅、ニッケルなどの金属粉、金属繊維でもよく、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリフェニレン誘導体などの導電性高分子を用いてもよい。
本発明において、活物質と導電助剤とを併用する場合、上記の導電助剤のうち、電池を充放電した際に周期律表第一族若しくは第二族に属する金属のイオン(好ましくはLiイオン)の挿入と放出が起きず、活物質として機能しないものを導電助剤とする。したがって、導電助剤の中でも、電池を充放電した際に活物質層中において活物質として機能しうるものは、導電助剤ではなく活物質に分類する。電池を充放電した際に活物質として機能するか否かは、一義的ではなく、活物質との組み合わせにより決定される。
導電助剤の形状は、特に制限されないが、粒子状が好ましい。
本発明の無機固体電解質含有組成物が導電助剤を含む場合、無機固体電解質含有組成物中の導電助剤の含有量は、固形分中、0~10質量%が好ましい。
本発明の無機固体電解質含有組成物は、リチウム塩(支持電解質)を含有することも好ましい。
リチウム塩としては、通常この種の製品に用いられるリチウム塩が好ましく、特に制限はなく、例えば、特開2015-088486の段落0082~0085記載のリチウム塩が好ましい。
本発明の無機固体電解質含有組成物がリチウム塩を含む場合、リチウム塩の含有量は、固体電解質100質量部に対して、0.1質量部以上が好ましく、5質量部以上がより好ましい。上限としては、50質量部以下が好ましく、20質量部以下がより好ましい。
本発明の無機固体電解質含有組成物は、分散剤を含有してもよい。分散剤としては、全固体二次電池に通常使用されるものを適宜選定して用いることができる。一般的には粒子吸着と立体反発及び/又は静電反発を意図した化合物が好適に使用される。
本発明の無機固体電解質含有組成物は、上記各成分以外の他の成分として、適宜に、イオン液体、増粘剤、架橋剤(ラジカル重合、縮合重合又は開環重合により架橋反応するもの等)、重合開始剤(酸又はラジカルを熱又は光によって発生させるものなど)、消泡剤、レベリング剤、脱水剤、酸化防止剤等を含有することができる。イオン液体は、イオン伝導度をより向上させるため含有されるものであり、公知のものを特に制限されることなく用いることができる。また、バインダーに含まれるポリマー以外のポリマー、通常用いられる結着剤等を含有していてもよい。
本発明の無機固体電解質含有組成物は、無機固体電解質、上記バインダー、分散媒、更には適宜に、リチウム塩、任意の他の成分を、例えば通常用いる各種の混合機で混合することにより、混合物として、好ましくはスラリーとして、調製することができる。
混合方法は特に制限されず、一括して混合してもよく、順次混合してもよい。混合する環境は特に制限されないが、乾燥空気下又は不活性ガス下等が挙げられる。
本発明の全固体二次電池用シートは、全固体二次電池の構成層を形成しうるシート状成形体であって、その用途に応じて種々の態様を含む。例えば、固体電解質層に好ましく用いられるシート(全固体二次電池用固体電解質シートともいう。)、電極、又は電極と固体電解質層との積層体に好ましく用いられるシート(全固体二次電池用電極シート)等が挙げられる。本発明において、これら各種のシートをまとめて全固体二次電池用シートという。
本発明の全固体二次電池用固体電解質シートとして、例えば、基材上に、本発明の無機固体電解質含有組成物で構成した層、通常固体電解質層と、保護層とをこの順で有するシートが挙げられる。全固体二次電池用固体電解質シートが有する固体電解質層は、本発明の無機固体電解質含有組成物で形成されることが好ましい。この固体電解質層中の各成分の含有量は、特に限定されないが、好ましくは、本発明の無機固体電解質含有組成物の固形分中における各成分の含有量と同義である。全固体二次電池用固体電解質シートを構成する各層の層厚は、後述する全固体二次電池において説明する各層の層厚と同じである。
本発明の全固体二次電池用シートの製造方法は、特に制限されず、本発明の無機固体電解質含有組成物を用いて、上記の各層を形成することにより、製造できる。例えば、好ましくは基材若しくは集電体上(他の層を介していてもよい。)に、製膜(塗布乾燥)して無機固体電解質含有組成物からなる層(塗布乾燥層)を形成する方法が挙げられる。これにより、基材若しくは集電体と、塗布乾燥層とを有する全固体二次電池用シートを作製することができる。ここで、塗布乾燥層とは、本発明の無機固体電解質含有組成物を塗布し、分散媒を乾燥させることにより形成される層(すなわち、本発明の無機固体電解質含有組成物を用いてなり、本発明の無機固体電解質含有組成物から分散媒を除去した組成からなる層)をいう。塗布乾燥層は、本発明の効果を損なわない範囲であれば分散媒が残存していてもよく、残存量としては、例えば、各層中、3質量%以下とすることができる。
本発明の全固体二次電池用シートの製造方法において、塗布、乾燥等の各工程については、下記全固体二次電池の製造方法において説明する。
また、本発明の全固体二次電池用シートの製造方法においては、基材、保護層(特に剥離シート)等を剥離することもできる。
本発明の全固体二次電池は、正極活物質層と、この正極活物質層に対向する負極活物質層と、正極活物質層及び負極活物質層の間に配置された固体電解質層とを有する。正極活物質層は、好ましくは正極集電体上に形成され、正極を構成する。負極活物質層は、好ましくは負極集電体上に形成され、負極を構成する。
負極活物質層、正極活物質層及び固体電解質層の少なくとも1つの層は、本発明の無機固体電解質含有組成物で形成されることが好ましく、少なくとも負極活物質層が本発明の無機固体電解質含有組成物で形成されることがより好ましく、負極活物質層及び固体電解質層が本発明の無機固体電解質含有組成物で形成されることがより好ましい。全ての層が本発明の無機固体電解質含有組成物で形成されることも好ましい態様の1つである。本発明の無機固体電解質含有組成物で形成された活物質層又は固体電解質層は、好ましくは、含有する成分種及びその含有量比について、本発明の無機固体電解質含有組成物の固形分におけるものと同じである。なお、活物質層又は固体電解質層が本発明の無機固体電解質含有組成物で形成されない場合、公知の材料を用いることができる。
負極活物質層、固体電解質層及び正極活物質層の厚さは、それぞれ、特に制限されない。各層の厚さは、一般的な全固体二次電池の寸法を考慮すると、それぞれ、10~1,000μmが好ましく、20μm以上500μm未満がより好ましい。本発明の全固体二次電池においては、正極活物質層及び負極活物質層の少なくとも1層の厚さが、50μm以上500μm未満であることが更に好ましい。
正極活物質層及び負極活物質層は、それぞれ、固体電解質層とは反対側に集電体を備えていてもよい。
本発明の全固体二次電池は、用途によっては、上記構造のまま全固体二次電池として使用してもよいが、乾電池の形態とするためには更に適当な筐体に封入して用いることが好ましい。筐体は、金属性のものであっても、樹脂(プラスチック)製のものであってもよい。金属性のものを用いる場合には、例えば、アルミニウム合金又は、ステンレス鋼製のものを挙げることができる。金属性の筐体は、正極側の筐体と負極側の筐体に分けて、それぞれ正極集電体及び負極集電体と電気的に接続させることが好ましい。正極側の筐体と負極側の筐体とは、短絡防止用のガスケットを介して接合され、一体化されることが好ましい。
全固体二次電池10においては、正極活物質層、固体電解質層及び負極活物質層のいずれも本発明の無機固体電解質含有組成物で形成されている。この全固体二次電池10は優れた電池性能を示す。正極活物質層4、固体電解質層3及び負極活物質層2が含有する無機固体電解質及びバインダーは、それぞれ、互いに同種であっても異種であってもよい。
本発明において、正極活物質層及び負極活物質層のいずれか、又は、両方を合わせて、単に、活物質層又は電極活物質層と称することがある。また、正極活物質及び負極活物質のいずれか、又は両方を合わせて、単に、活物質又は電極活物質と称することがある。
本発明において、正極集電体及び負極集電体のいずれか、又は、両方を合わせて、単に、集電体と称することがある。
正極集電体を形成する材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル及びチタンなどの他に、アルミニウム又はステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタンあるいは銀を処理させたもの(薄膜を形成したもの)が好ましく、その中でも、アルミニウム及びアルミニウム合金がより好ましい。
負極集電体を形成する材料としては、アルミニウム、銅、銅合金、ステンレス鋼、ニッケル及びチタンなどの他に、アルミニウム、銅、銅合金又はステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタンあるいは銀を処理させたものが好ましく、アルミニウム、銅、銅合金及びステンレス鋼がより好ましい。
集電体の厚みは、特に制限されないが、1~500μmが好ましい。また、集電体表面は、表面処理により凹凸を付けることも好ましい。
本発明において、負極集電体、負極活物質層、固体電解質層、正極活物質層及び正極集電体の各層の間又はその外側には、機能性の層、部材等を適宜介在若しくは配設してもよい。また、各層は単層で構成されていても、複層で構成されていてもよい。
全固体二次電池は、常法によって、製造できる。具体的には、全固体二次電池は、本発明の無機固体電解質含有組成物等を用いて、上記の各層を形成することにより、製造できる。以下、詳述する。
例えば、正極集電体である金属箔上に、正極用材料(正極用組成物)として、正極活物質を含有する無機固体電解質含有組成物を塗布して正極活物質層を形成し、全固体二次電池用正極シートを作製する。次いで、この正極活物質層の上に、固体電解質層を形成するための無機固体電解質含有組成物を塗布して、固体電解質層を形成する。更に、固体電解質層の上に、負極用材料(負極用組成物)として、負極活物質を含有する無機固体電解質含有組成物を塗布して、負極活物質層を形成する。負極活物質層の上に、負極集電体(金属箔)を重ねることにより、正極活物質層と負極活物質層の間に固体電解質層が挟まれた構造の全固体二次電池を得ることができる。これを筐体に封入して所望の全固体二次電池とすることもできる。
また、各層の形成方法を逆にして、負極集電体上に、負極活物質層、固体電解質層及び正極活物質層を形成し、正極集電体を重ねて、全固体二次電池を製造することもできる。
また別の方法として、次の方法が挙げられる。すなわち、上記のようにして、全固体二次電池用正極シート及び全固体二次電池用負極シートを作製する。また、これとは別に、無機固体電解質含有組成物を基材上に塗布して、固体電解質層からなる全固体二次電池用固体電解質シートを作製する。更に、全固体二次電池用正極シート及び全固体二次電池用負極シートで、基材から剥がした固体電解質層を挟むように積層する。このようにして、全固体二次電池を製造することができる。
更に、上記のようにして、全固体二次電池用正極シート又は全固体二次電池用負極シート、及び全固体二次電池用固体電解質シートを作製する。次いで、全固体二次電池用正極シート又は全固体二次電池用負極シートと全固体二次電池用固体電解質シートとを、正極活物質層又は負極活物質層と固体電解質層とを接触させた状態に、重ねて、加圧する。こうして、全固体二次電池用正極シート又は全固体二次電池用負極シートに固体電解質層を転写する。その後、全固体二次電池用固体電解質シートの基材を剥離した固体電解質層と全固体二次電池用負極シート又は全固体二次電池用正極シートとを(固体電解質層に負極活物質層又は正極活物質層を接触させた状態に)重ねて加圧する。こうして、全固体二次電池を製造することができる。この方法における加圧方法及び加圧条件等は、特に制限されず、後述する、塗布した組成物の加圧において説明する方法及び加圧条件等を適用できる。
上記の製造方法においては、正極用組成物、無機固体電解質含有組成物及び負極用組成物のいずれか1つに本発明の無機固体電解質含有組成物を用いればよく、負極用組成物に本発明の無機固体電解質含有組成物を用いることが好ましく、いずれの組成物に本発明の無機固体電解質含有組成物を用いることもできる。
本発明の固体電解質組成物以外の組成物で固体電解質層又は活物質層を形成する場合、その材料としては、通常用いられる組成物等が挙げられる。また、全固体二次電池の製造時に負極活物質層を形成せずに、後述する初期化若しくは使用時の充電で負極集電体に蓄積した、周期律表第一族若しくは第二族に属する金属のイオンを電子と結合させて、金属として負極集電体等の上に析出させることにより、負極活物質層を形成することもできる。
固体電解質層等は、例えば基板若しくは活物質層上で、固体電解質組成物等を後述する加圧条件下で加圧成形して形成することもできるし、固体電解質又は活物質のシート成形体を用いることもできる。
無機固体電解質含有組成物の塗布方法は特に制限されず、適宜に選択できる。例えば、塗布(好ましくは湿式塗布)、スプレー塗布、スピンコート塗布、ディップコート塗布、スリット塗布、ストライプ塗布、バーコート塗布が挙げられる。
このとき、無機固体電解質含有組成物は、それぞれ塗布した後に乾燥処理を施してもよいし、重層塗布した後に乾燥処理をしてもよい。乾燥温度は特に制限されない。下限は30℃以上が好ましく、60℃以上がより好ましく、80℃以上が更に好ましい。上限は、300℃以下が好ましく、250℃以下がより好ましく、200℃以下が更に好ましい。このような温度範囲で加熱することで、分散媒を除去し、固体状態(塗布乾燥層)にすることができる。また、温度を高くしすぎず、全固体二次電池の各部材を損傷せずに済むため好ましい。これにより、全固体二次電池において、優れた総合性能を示し、かつ良好な結着性と、非加圧でも良好なイオン伝導度を得ることができる。
上記のようにして本発明の無機固体電解質含有組成物を塗布乾燥すると、固体粒子が強固に結着し、更に固体粒子間の界面抵抗が小さな塗布乾燥層、ひいては屈曲耐久性に優れた無機固体電解質層を形成することができる。
また、塗布した無機固体電解質含有組成物は、加圧と同時に加熱してもよい。加熱温度としては特に制限されず、一般的には30~300℃の範囲である。無機固体電解質のガラス転移温度よりも高い温度でプレスすることもできる。一方、無機固体電解質とバインダーが共存する場合、バインダーのガラス転移温度よりも高い温度でプレスすることもできる。ただし、一般的には上述のバインダーの融点を越えない温度である。
加圧は塗布溶媒又は分散媒を予め乾燥させた状態で行ってもよいし、溶媒又は分散媒が残存している状態で行ってもよい。
なお、各組成物は同時に塗布してもよいし、塗布乾燥プレスを同時及び/又は逐次行ってもよい。別々の基材に塗布した後に、転写により積層してもよい。
プレス時間は短時間(例えば数時間以内)で高い圧力をかけてもよいし、長時間(1日以上)かけて中程度の圧力をかけてもよい。全固体二次電池用シート以外、例えば全固体二次電池の場合には、中程度の圧力をかけ続けるために、全固体二次電池の拘束具(ネジ締め圧等)を用いることもできる。
プレス圧はシート面等の被圧部に対して均一であっても異なる圧であってもよい。
プレス圧は被圧部の面積又は膜厚に応じて変化させることができる。また同一部位を段階的に異なる圧力で変えることもできる。
プレス面は平滑であっても粗面化されていてもよい。
上記のようにして製造した全固体二次電池は、製造後又は使用前に初期化を行うことが好ましい。初期化は特に制限されず、例えば、プレス圧を高めた状態で初充放電を行い、その後、全固体二次電池の一般使用圧力になるまで圧力を解放することにより、行うことができる。
本発明の全固体二次電池は種々の用途に適用することができる。適用態様には特に制限はないが、例えば、電子機器に搭載する場合、ノートパソコン、ペン入力パソコン、モバイルパソコン、電子ブックプレーヤー、携帯電話、コードレスフォン子機、ページャー、ハンディーターミナル、携帯ファックス、携帯コピー、携帯プリンター、ヘッドフォンステレオ、ビデオムービー、液晶テレビ、ハンディークリーナー、ポータブルCD、ミニディスク、電気シェーバー、トランシーバー、電子手帳、電卓、メモリーカード、携帯テープレコーダー、ラジオ、バックアップ電源などが挙げられる。その他民生用として、自動車、電動車両、モーター、照明器具、玩具、ゲーム機器、ロードコンディショナー、時計、ストロボ、カメラ、医療機器(ペースメーカー、補聴器、肩もみ機など)などが挙げられる。更に、各種軍需用、宇宙用として用いることができる。また、太陽電池と組み合わせることもできる。
低損失ポリマーとして合成したポリウレタンB-1~B-4及びB-6を以下に示す。ただし、各構成成分の含有量はモル%である。ポリウレタンB-5はポリウレタンB-3と構成成分が同じで含有量が異なるポリウレタンであるので記載を省略する。
(ポリウレタンB-1の合成)
300mL3つ口フラスコに、ポリエチレングリコール(PEG200(商品名)、数平均分子量200、富士フイルム和光純薬社製)2.92gと、ポリテトラメチレンエーテルグリコール(数平均分子量250、SIGMA-Aldrich社製)3.65gと、NISSO-PB G-1000(商品名、日本曹達社製)3.78gと、2,2-ビス(ヒドロキシメチル)酪酸(東京化成工業社製)0.60gを加え、THF(テトラヒドロフラン)80.85gに溶解した。この溶液に、ジフェニルメタンジイソシアネート(富士フイルム和光純薬社製)9.26gを加えて60℃で撹拌し、均一に溶解させた。
得られた溶液に、ネオスタンU-600(商品名、日東化成社製)65mgを添加して60℃で5時間攪伴した。この溶液にメタノール0.96gを加えてポリマー末端を封止して、重合反応を停止し、ポリマーB-1の20質量%THF溶液(ポリマー溶液)を得た。
上記で得られたポリマー溶液15.00gを、THF15.00gで希釈し、撹拌しながら、メチルイソブチルケトン90.00gを1時間かけて滴下し、ポリマーB-1の乳化液を得た。この乳化液を70g程度まで濃縮し、メチルイソブチルケトンを加え、全量を100.00gとすることで、ポリマーB-1からなるバインダーの3質量%メチルイソブチルケトン分散液(バインダー分散液B-1)を得た。
合成例1において、表1-1に示す組成(構成成分の種類及び含有量)となるように各構成成分を導く化合物を用いたこと以外は、合成例1と同様にして、ポリウレタンB-2~B-6をそれぞれ合成した。
次いで、合成したポリウレタンB-2~B-6を用いて、バインダー分散液B-1の調製と同様にして、バインダー分散液B-2~B-6をそれぞれ調製した。
合成例1において、表1-1に示す組成(構成成分の種類及び含有量)となるように各構成成分を導く化合物を用いたこと以外は、合成例1と同様にして、ポリウレタンBC-2及びBC-3をそれぞれ合成した。
次いで、合成したポリウレタンBC-2及びBC-3を用いて、バインダー分散液B-1の調製と同様にして、バインダー分散液BC-2及びBC-3をそれぞれ調製した。
ポリウレタンBC-4として、上記特許文献1(国際公開第2018/020827A1)の段落[0188]に記載の「(4)例示化合物(B-4)の合成」に準じて、下記に示すポリウレタンBC-4を合成して、10質量%オクタン分散液BC-4を調製した。こうして、ポリウレタンBC-4の10質量%バインダー分散液BC-4を得た。
ポリウレタンBC-5として、上記特許文献1の段落[0187]に記載の「(3)例示化合物(B-3)の合成」に準じて、下記に示すポリウレタンBC-5を合成して、10質量%オクタン分散液BC-5を調製した。こうして、ポリウレタンBC-5の10質量%バインダー分散液BC-5を得た。
合成例1において、表1-1に示す組成(構成成分の種類及び含有量)となるように各構成成分を導く化合物を用いたこと以外は、合成例1と同様にして、下記に示すポリウレタンBC-6を合成した。
次いで、合成したポリウレタンBC-6を用いて、バインダー分散液B-1の調製と同様にして、バインダー分散液BC-6を調製した。
NBRポリマーBC-1としてナイポール1041(商品名、アクリロニトリルブタジエンゴム(NBR)、日本ゼオン社製)を、溶媒:イソブチロニトリルに固形分濃度3質量%で溶解して、NBR溶液BC-1を調製した。
[調製例2:NBR溶液B-7の調製]
NBR溶液BC-1に、重合開始剤としてパーブチルO(商品名、t-butyl peroxy-2-ethylhexanoate、日油社製)を、ナイポール1041に対して2質量%となるように添加した。得られた溶液を80℃で1時間加熱してNBRを架橋させて、架橋NBRポリマーB-7を含むNBR溶液B-7を調製した。
合成若しくは準備した各ポリマーの組成、質量平均分子量、2種のポリエーテル構造の数平均分子量(表1-2において「ポリエーテル構造の数平均分子量」と表記する。)、及び各バインダーの粒子径(バインダーが溶解型である場合、粒子径欄に「-」で示す。)を表1-1及び表1-2に示す。
各ポリマーの質量平均分子量及び各ポリエーテル構造の数平均分子量は上記方法(条件2)により測定した。2種のポリエーテル構造の数平均分子量は、各ポリエーテル構造の数平均分子量から上述の方法により算出した。また、各バインダーの粒子径は上記方法により測定した。なお、NBRポリマーBC-1及びNBRポリマーB-7の質量平均分子量は測定していないため、また分散媒に溶解しており粒子径を測定できないため、表1-2の「質量平均分子量」欄及び「粒子径」欄に「-」で示す。
合成例1~11及び調製例1、2で合成又は準備した各ポリマーについて、10回引張ヒステリシス損失及び30回引張ヒステリシス損失を下記方法(JIS K7312-1996に準拠)により応力-ひずみ曲線を得て算出した。その結果を表1-2に示す。
(試験片の作製)
合成又は準備した各ポリマーからなるバインダー分散液又は溶液をガラスシャーレに入れて120℃で6時間乾燥することにより、膜厚80μmの乾燥フィルムを得た。得られた各乾燥フィルムから幅5mm×長さ50mmの短冊状の試験片を3検体ずつ切り出した。
(応力-ひずみ曲線の作製及び引張ヒステリシス損失の算出)
作製した各試験片を引張試験機(商品名:オートグラフAG-X 5kN、島津製作所社製)にチャック間距離が30mmになるようにセットした。速度3mm/minで目標の伸び(10%)に達するまで引っ張り、直後に同じ速さで元のチャック位置に復元した。この操作を連続して複数回(10回又は30回)行い、変位量と荷重とを測定して、応力-ひずみ曲線を作成した。
ヒステリシス損失は、得られた応力-ひずみ曲線において、引張り時の曲線で囲まれる面積(積分値)(上述の「全ひずみエネルギー」に相当する)に対する、引張り-復元曲線で囲まれる面積(上述の「損失エネルギー」に相当する)の比率として求めた。
各乾燥フィルムから作製した3検体の試験片それぞれについて、上記測定を行って、各乾燥フィルムについて3つの測定値を得た。その中で中央値を各ポリマーのヒステリシス損失として採用した。
なお、ポリウレタンBC-2及びBC-3は測定中に試験片が破断して測定できなかった。いずれについても、欄内に「-」で示す。
合成例1~11及び調製例1、2で合成又は準備した各ポリマーについて、引張弾性率及び破断伸びを下記方法により測定した。その結果を表1-2に示す。
(試験片の作製)
合成又は準備した各ポリマーをガラスシャーレに入れて120℃で6時間乾燥することにより、膜厚80μmの乾燥フィルムを得た。得られた乾燥フィルムを幅10mm×長さ40mmの短冊状に切り出して試験片を作製した。
(引張弾性率及び破断伸びの測定)
作製した各試験片をフォースゲージ(IMADA社製)にチャック間距離が30mmになるようにセットした。この状態で試験片を速度10mm/minで引っ張り、変位量と応力を測定し、初期の傾きから引張弾性率を算出し、破断した変位量から破断伸びを算出した。
構成成分M1:式(I-1)で表される構成成分
構成成分M2:式(I-7)で表される構成成分(分子量が大きなアルキレンオキシ基で形成されたポリエーテル構造を有する構成成分)
構成成分M3:式(I-7)で表される構成成分(分子量が小さなアルキレンオキシ基で形成されたポリエーテル構造を有する構成成分)
構成成分M4:式(I-3A)で表される構成成分
構成成分M5:式(I-3C)で表される構成成分
構成成分M6:その他の構成成分
表中、構成成分欄中の「-」は該当する構成成分を有していないことを示す。
構成成分M1~M6欄には、各構成成分を導く化合物名を下記の略号で示した。
- 構成成分M1 -
MDI:ジフェニルメタンジイソシアネート(富士フイルム和光純薬社製)
IHDI:ジイソシアン酸イソホロン(東京化成工業社製)
- 構成成分M2 -
PTMG250:ポリテトラメチレンエーテルグリコール(数平均分子量250、SIGMA-Aldrich社製)
PPG130:ジプロピレングリコール(数平均分子量130、東京化成工業社製)
PEG200:ポリエチレングリコール(数平均分子量200、富士フイルム和光純薬社製)
PEG600:ポリエチレングリコール(数平均分子量600、富士フイルム和光純薬社製)
ED-600:ポリエーテルアミン(商品名:ジェファーミンED-600、ハンツマン社製、数平均分子量600)
PPG3000:ポリプロピレングリコール(数平均分子量3000、東京化成工業社製)
- 構成成分M3 -
PEG200:ポリエチレングリコール(数平均分子量200、富士フイルム和光純薬社製)
PEG400:ポリエチレングリコール(数平均分子量400、富士フイルム和光純薬社製)
PEG150:3,6-ジオキサ-1,8-オクタンジオール(数平均分子量150、東京化成工業社製)
PA150:3,3’-ジアミノジプロピルアミン(数平均分子量130、東京化成工業社製)
PA150由来の構成成分は上記式(I-7)で表される構成成分ではないが、便宜上、構成成分M3欄に記載した。
PEG2000:ポリエチレングリコール(数平均分子量2000、東京化成工業社製)
- 構成成分M4 -
DMBA:2,2-ビス(ヒドロキシメチル)酪酸(東京化成工業社製)
- 構成成分M5 -
G-1000:両末端水酸基変性ポリブタジエン NISSO-PB G-1000(商品名、数平均分子量1400、日本曹達社製)
エポール:両末端水酸基変性水添ポリブタジエン(出光興産社製、数平均分子量2500)
R-45HT:両末端水酸基変性水添ポリブタジエン(商品名:poly bd R-46HT、出光興産社製、数平均分子量2800)
- 構成成分M6 -
BDO:1,4-ブタンジオール(富士フイルム和光純薬社製)
BDO由来の構成成分は構成成分M4(上記式(I-3A)で表される構成成分)に相当するが官能基を有していない点で、便宜上「構成成分M6」に分類した。
BDA:1,4-ブタンジアミン(富士フイルム和光純薬社製)
BDA由来の構成成分は上記式(I-4)で表される構成成分に相当する。
KF-6001:変性シリコーンオイル(製品名、信越化学工業社製、数平均分子量900)
硫化物系無機固体電解質は、T.Ohtomo,A.Hayashi,M.Tatsumisago,Y.Tsuchida,S.Hama,K.Kawamoto,Journal of Power Sources,233,(2013),pp231-235、及び、A.Hayashi,S.Hama,H.Morimoto,M.Tatsumisago,T.Minami,Chem.Lett.,(2001),pp872-873の非特許文献を参考にして合成した。
具体的には、アルゴン雰囲気下(露点-70℃)のグローブボックス内で、硫化リチウム(Li2S、Aldrich社製、純度>99.98%)2.42g及び五硫化二リン(P2S5、Aldrich社製、純度>99%)3.90gをそれぞれ秤量し、メノウ製乳鉢に投入し、メノウ製乳棒を用いて、5分間混合した。Li2S及びP2S5の混合比は、モル比でLi2S:P2S5=75:25とした。
次いで、ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径5mmのジルコニアビーズを66個投入し、上記の硫化リチウムと五硫化二リンの混合物全量を投入し、アルゴン雰囲気下で容器を完全に密閉した。フリッチュ社製遊星ボールミルP-7(商品名、フリッチュ社製)に容器をセットし、温度25℃で、回転数510rpmで20時間メカニカルミリングを行うことで、黄色粉体の硫化物系無機固体電解質(Li-P-S系ガラス、以下、LPSと表記することがある。)6.20gを得た。Li-P-S系ガラスの粒子径は2.5μmであった。
実施例1では、調製したバインダーを用いて、無機固体電解質含有組成物、負極用組成物及び正極用組成物を調製して、全固体二次電池を製造した。
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径5mmのジルコニアビーズを180個投入し、上記合成例で合成したLPS4.85g、表2に示すバインダー(分散液若しくは溶液)0.15g(固形分質量)、及び酪酸ブチルを11.0g投入した。その後に、この容器をフリッチュ社製遊星ボールミルP-7(商品名)にセットした。温度25℃、回転数150rpmで10分間混合して、無機固体電解質含有組成物C-1~C-7及びBC-1~BC-6をそれぞれ調製した。
LPS:合成例Aで合成したLi-P-S系ガラス
ベーカー式アプリケーター(商品名:SA-201、テスター産業社製)を用いて、厚み20μmのアルミニウム箔上に上記で得られた各無機固体電解質含有組成物を塗布し、80℃で2時間加熱して、無機固体電解質含有組成物を乾燥(分散媒を除去)させた。その後、乾燥させた無機固体電解質含有組成物を、ヒートプレス機を用いて、120℃の温度及び600MPaの圧力で10秒間、加熱及び加圧して、全固体二次電池用固体電解質シートS-1~S-7及びBS-1~BS-6をそれぞれ作製した。固体電解質層の膜厚は50μmであった。
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径5mmのジルコニアビーズを180個投入し、合成例Aで合成したLPSを2.7g、KYNAR FLEX 2500-20(商品名)を固形分質量として0.3g、及び酪酸ブチルを22g投入した。フリッチュ社製遊星ボールミルP-7(商品名)にこの容器をセットし、温度25℃、回転数300pmで60分間混合した。その後、正極活物質としてLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(NMC)7.0gを投入し、同様に、遊星ボールミルP-7(商品名)にこの容器をセットし、温度25℃、回転数100rpmで5分間混合を続けた。こうして、正極用組成物(スラリー)を調製した。
バインダーを形成するポリマーとして用いた「KYNAR FLEX 2500-20」は、上記測定方法による10回引張ヒステリシス損失及び30回引張ヒステリシス損失を満たさない。
ベーカー式アプリケーター(商品名:SA-201)を用いて、厚み20μmのアルミニウム箔上に調製した正極用組成物を塗布し、80℃で2時間加熱して、正極用組成物を乾燥(分散媒を除去)させた。その後、乾燥させた正極用組成物を、ヒートプレス機を用いて25℃で加圧(10MPa、1分)して、膜厚80μmの正極活物質層を有する全固体二次電池用正極シートを作製した。
ジルコニア製45mL容器(フリッチュ社製)に、直径5mmのジルコニアビーズを180個投入し、合成例Aで合成したLPSを4.0g、表3に示すバインダー(分散液若しくは溶液)0.3g(固形分質量)、及び酪酸ブチルを12.0g投入した。フリッチュ社製遊星ボールミルP-7(商品名)にこの容器をセットし、温度25℃、回転数300pmで60分間混合した。その後、負極活物質としてケイ素5.3g、導電助剤としてアセチレンブラック(デンカ社製)0.4gを投入し、同様に、遊星ボールミルP-7に容器をセットして、温度25℃、回転数100rpmで10分間混合して、負極用組成物U-1~U-7及びV-1~V-6をそれぞれ調製した。
Si:パウダー(商品名:APS、平均粒径1~5μm、Alfa Aesar社製)
LPS:合成例Aで合成したLi-P-S系ガラス
AB:アセチレンブラック(デンカ社製)
ベーカー式アプリケーター(商品名:SA-201)を用いて、厚み20μmの銅箔上に調製した負極用組成物を塗布し、80℃で2時間加熱して、負極用組成物を乾燥(分散媒を除去)させた。その後、乾燥させた負極用組成物を、ヒートプレス機を用いて25℃で加圧(10MPa、1分)して、膜厚80μmの負極活物質層を有する全固体二次電池用負極シートPU-1~PU-7及びPV-1~PV-6を作製した。
次いで、表4の「負極活物質層」欄に示す各全固体二次電池用負極シートの負極活物質層上に、表4の「固体電解質層」欄に示す全固体二次電池用固体電解質シートを、固体電解質層が負極活物質層に接するように重ね、プレス機を用いて温度25℃、加圧力50MPaで加圧して、転写(積層)した。得られた積層体を、更に温度25℃、加圧力600MPaで加圧することにより、固体電解質層を備えた全固体二次電池用負極シートをそれぞれ作製した。各シートにおいて、固体電解質層の膜厚は50μmであり、負極活物質層の膜厚は75μmであった。
<全固体二次電池用負極シートの屈曲試験>
上記固体電解質層を備えた各全固体二次電池用負極シートから幅3cm×長さ14cmの長方形の試験片を切り出した。切り出した試験片を、円筒形マンドレル試験機(商品コード056、マンドレル直径10mm、Allgood社製)を用いて、日本産業規格(JIS) K5600-5-1(耐屈曲性(円筒形マンドレル:タイプ2の試験装置を用いた試験)、国際標準規格(ISO)1519と同試験。)に従って、屈曲させた。次いで、屈曲させたシートを元に戻した。この屈曲及び復元を1回として10回繰り返した。なお、試験片は、その固体電解質層をマンドレルとは逆側(基材をマンドレル側)に、かつ試験片の幅方向をマンドレルの中心軸に略平行に、セットした。
こうして、上記屈曲試験を行った試験片を作製した。
全固体二次電池は、上記屈曲試験を行っていない、固体電解質層を備えた各全固体二次電池用負極シート(以下、非屈曲シートという。)と、上記屈曲試験を行った試験片(以下、屈曲試験片という。)とを用いて、製造した。
すなわち、非屈曲シート及び屈曲試験片それぞれから直径14.5mmの円板状負極シートを切り出し、それぞれを、図2に示すように、スペーサーとワッシャー(図2において図示せず)を組み込んだステンレス製の2032型コインケース11に入れた。次いで、この円板状負極シートの固体電解質層上に直径14.0mmで打ち抜いた全固体二次電池用正極シート(正極活物質層、アルミニウム箔は剥離済み)を重ねた。その上に更にステンレス鋼箔(正極集電体)を重ねて全固体二次電池用積層体12(銅箔-負極活物質層-固体電解質層-正極活物質層-ステンレス鋼箔からなる積層体)を形成した。その後、2032型コインケース11をかしめることで、図2に示すコイン型全固体二次電池101~108及びc11~c16をそれぞれ製造した。このようにして製造したコイン型全固体二次電池13は図1に示す層構成を有する。
なお、同一の電池No.で表わされる全固体二次電池は、同一の負極シートNo.で表わされる全固体二次電池用負極シートに由来する非屈曲シート又は屈曲試験片を用いて製造した1組の電池を含む。
全固体二次電池101~108及びc11~c16の電池特性として、非屈曲シート又は屈曲試験片を用いて製造した各組の電池について電池抵抗を測定して、電池抵抗の変化率を評価した。
各全固体二次電池の抵抗を、充放電評価装置:TOSCAT-3000(商品名、東洋システム社製)により評価した。具体的には、各全固体二次電池を、それぞれ、電流密度0.1mA/cm2で電池電圧が4.2Vに達する充電した。その後、電流密度0.2mA/cm2で電池電圧が2.5Vに達するまで放電した。この充電1回と放電1回とを充放電1サイクルとして繰り返して2サイクル充放電して、2サイクル目の5mAh/g(活物質質量1g当たりの電気量)放電後の電池電圧を読み取った。
同一の電池No.で表わされる1組の全固体二次電池において、電池電圧の変化率([屈曲試験片を用いて製造した全固体二次電池の抵抗値/非屈曲シートを用いて製造した全固体二次電池の抵抗値]×100(%))を求め、この変化率を抵抗変化率として下記評価ランクのいずれに含まれるかにより、全固体二次電池の屈曲耐久性を評価した。
本試験において、評価ランクが高いほど、構成層の屈曲耐久性が高くなり、構成層の作製時等に作用する屈曲及び復元に起因する電池性能の低下(電池抵抗の上昇)を抑えることができる。本試験の合格レベルは評価ランク「3」以上である。
- 評価ランク -
8: 100%≦抵抗変化率<101%
7: 101%≦抵抗変化率<105%
6: 105%≦抵抗変化率<108%
5: 108%≦抵抗変化率<110%
4: 110%≦抵抗変化率<115%
3: 115%≦抵抗変化率<118%
2: 118%≦抵抗変化率<120%
1: 120%≦抵抗変化率
すなわち、本発明で規定する10回引張ヒステリシス損失を満たすポリマーを含むバインダーを含有しない無機固体電解質含有組成物は、全固体二次電池の構成層の形成に用いても、得られる全固体二次電池について、充放電2サイクル目の充放電後の電池電圧が低下し、屈曲耐久性に優れた構成層を実現できない。そのため、この無機固体電解質含有組成物で形成した構成層を備えた全固体二次電池は電池電圧の上昇が大きい。
これに対して、本発明で規定する10回引張ヒステリシス損失を満たすポリマーを含むバインダーを含有する無機固体電解質含有組成物は、全固体二次電池の構成層の形成に用いることにより、得られる構成層に優れた屈曲耐久性を実現でき、これを用いた全固体二次電池は、構成層に屈曲及び復元が作用していても電池電圧の低下が防止され、優れた電池性能を示すことが分かる。
特に、無機固体電解質含有組成物が含有するバインダーが、10回引張ヒステリシス損失に加えて、30回引張ヒステリシス損失、引張弾性率及び破断伸びを満たすポリマーを含むバインダーであると、構成層の耐屈曲性及び全固体二次電池の電池性能について、より高いレベルで実現させることが可能になることが分かる。
2 負極活物質層
3 固体電解質層
4 正極活物質層
5 正極集電体
6 作動部位
10 全固体二次電池
11 2032型コインケース
12 全固体二次電池用積層体
13 コイン型全固体二次電池
Claims (15)
- 周期律表第1族若しくは第2族に属する金属のイオンの伝導性を有する無機固体電解質と、バインダーとを含有する無機固体電解質含有組成物であって、
前記バインダーが、引張り及び復元を10回繰り返して得た応力-ひずみ曲線における引張ヒステリシス損失が40%未満であるポリマーを含む、無機固体電解質含有組成物。 - 前記ポリマーが、引張り及び復元を30回繰り返して得た応力-ひずみ曲線における引張ヒステリシス損失が35%未満である、請求項1に記載の無機固体電解質含有組成物。
- 前記ポリマーが、400MPa以上の引張弾性率を有する、請求項1又は2に記載の無機固体電解質含有組成物。
- 前記ポリマーが、300%以上の破断伸びを有する、請求項1~3のいずれか1項に記載の無機固体電解質含有組成物。
- 前記ポリマーが、ウレタン結合、ウレア結合、アミド結合、イミド結合及びエステル結合から選ばれる少なくとも1種の結合を主鎖に有する、請求項1~4のいずれか1項に記載の無機固体電解質含有組成物。
- 前記ポリマーが、ポリエチレンオキシ鎖、ポリプロピレンオキシ鎖及びポリテトラメチレンオキシ鎖から選ばれる少なくとも2種のポリエーテル構造を主鎖に有する、請求項1~5のいずれか1項に記載の無機固体電解質含有組成物。
- 前記少なくとも2種のポリエーテル構造の数平均分子量が400以下である、請求項6に記載の無機固体電解質含有組成物。
- 活物質を含有する、請求項1~7のいずれか1項に記載の無機固体電解質含有組成物。
- 前記活物質が、ケイ素元素又はスズ元素を含有する活物質である、請求項8に記載の無機固体電解質含有組成物。
- 導電助剤を含有する、請求項1~9のいずれか1項に記載の無機固体電解質含有組成物。
- 前記無機固体電解質が硫化物系無機固体電解質である、請求項1~10のいずれか1項に記載の無機固体電解質含有組成物。
- 請求項1~11のいずれか1項に記載の無機固体電解質含有組成物で構成した層を有する全固体二次電池用シート。
- 正極活物質層と固体電解質層と負極活物質層とをこの順で具備する全固体二次電池であって、
前記正極活物質層、前記固体電解質層及び前記負極活物質層の少なくとも1つの層が、請求項1~11のいずれか1項に記載の無機固体電解質含有組成物で構成した層である、全固体二次電池。 - 請求項1~11のいずれか1項に記載の無機固体電解質含有組成物を製膜する、全固体二次電池用シートの製造方法。
- 請求項14に記載の製造方法を経て全固体二次電池を製造する、全固体二次電池の製造方法。
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